第6章电感式传感器.pptx
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1、概述概述概述概述 电感式传感器是一种机电转换装置,电感式传感器是一种机电转换装置,特别特别是在自动控制设备中广泛应用。是在自动控制设备中广泛应用。电感式传感器利用电磁感应定律将被测电感式传感器利用电磁感应定律将被测非非电量(如位移、压力、流量、振动)电量(如位移、压力、流量、振动)转换为转换为电感或互感的变化。电感或互感的变化。按传感器结构可分为:按传感器结构可分为:自感式自感式互感式互感式电涡流式。电涡流式。第第6 6章章 电感式传感器电感式传感器概述概述概述概述各种电感式传感器各种电感式传感器第第6 6章章 电感式传感器电感式传感器非接触式位移传感器测厚传感器电感粗糙度仪接近式传感器概述概
2、述概述概述电感式传感器电感式传感器应用应用应用应用电感传感器测量滚珠直径,实现按误差分装塞选电感传感器测量滚珠直径,实现按误差分装塞选电感传感器测量滚珠直径,实现按误差分装塞选电感传感器测量滚珠直径,实现按误差分装塞选第第6 6章章 电感式传感器电感式传感器6.16.16.16.1变磁阻式传感器(自感式)变磁阻式传感器(自感式)变磁阻式传感器(自感式)变磁阻式传感器(自感式)6.1.1 6.1.1 6.1.1 6.1.1 工作原理工作原理工作原理工作原理 结构结构结构结构:由由由由线圈、铁芯、衔铁线圈、铁芯、衔铁线圈、铁芯、衔铁线圈、铁芯、衔铁三部分组成。三部分组成。三部分组成。三部分组成。铁
3、芯和衔铁之间有气隙,气隙厚度为铁芯和衔铁之间有气隙,气隙厚度为铁芯和衔铁之间有气隙,气隙厚度为铁芯和衔铁之间有气隙,气隙厚度为 ;传感器运动部分与衔铁相连,衔铁移动时传感器运动部分与衔铁相连,衔铁移动时传感器运动部分与衔铁相连,衔铁移动时传感器运动部分与衔铁相连,衔铁移动时 发发发发 生变化,引起磁路的磁阻生变化,引起磁路的磁阻生变化,引起磁路的磁阻生变化,引起磁路的磁阻R Rmm变化,使电芯线圈变化,使电芯线圈变化,使电芯线圈变化,使电芯线圈 的电感值的电感值的电感值的电感值L L变化;变化;变化;变化;v 只要改变气隙厚只要改变气隙厚 度或气隙截面积度或气隙截面积 就可以改变电感。就可以改
4、变电感。第第6 6章章 电感式传感器电感式传感器6.16.16.16.1变磁阻式传感器(自感式)变磁阻式传感器(自感式)变磁阻式传感器(自感式)变磁阻式传感器(自感式)6.1.1 6.1.1 6.1.1 6.1.1 工作原理工作原理工作原理工作原理线圈自感可按下式计算:线圈自感可按下式计算:式中:式中:N:线圈匝数线圈匝数;Rm:磁路总磁阻;磁路总磁阻;S0:气隙的截面积;气隙的截面积;:气隙厚度;气隙厚度;0:导磁率(真空、空气)导磁率(真空、空气)第第6 6章章 电感式传感器电感式传感器6.16.16.16.1变磁阻式传感器(自感式)变磁阻式传感器(自感式)变磁阻式传感器(自感式)变磁阻式
5、传感器(自感式)6.1.2 6.1.2 6.1.2 6.1.2 输出特性输出特性输出特性输出特性 衔铁位移衔铁位移 引起的电感变化为:引起的电感变化为:第第6 6章章 电感式传感器电感式传感器电感初始气隙电感初始气隙 0 0处初始电感量为处初始电感量为L0 0 0LL0L0+L0L0L06.16.16.16.1变磁阻式传感器(自感式)变磁阻式传感器(自感式)变磁阻式传感器(自感式)变磁阻式传感器(自感式)6.1.2 6.1.2 6.1.2 6.1.2 输出特性输出特性输出特性输出特性 /1 1时,时,用泰勒级数展开用泰勒级数展开衔铁衔铁下移时下移时(增大增大)衔铁衔铁上移时上移时(减小减小)第
6、第6 6章章 电感式传感器电感式传感器6.16.16.16.1变磁阻式传感器(自感式)变磁阻式传感器(自感式)变磁阻式传感器(自感式)变磁阻式传感器(自感式)6.1.2 6.1.2 6.1.2 6.1.2 输出特性输出特性输出特性输出特性 对上式作线性处理忽略高次项时对上式作线性处理忽略高次项时讨论:讨论:变间隙式电感传感器用于小位移比较精确;变间隙式电感传感器用于小位移比较精确;一般一般/=0.1-0.2;为减小非线性误差,实际测量中多采用差动为减小非线性误差,实际测量中多采用差动式。式。第第6 6章章 电感式传感器电感式传感器u灵敏度灵敏度 6.16.16.16.1变磁阻式传感器(自感式)
7、变磁阻式传感器(自感式)变磁阻式传感器(自感式)变磁阻式传感器(自感式)6.1.2 6.1.2 6.1.2 6.1.2 输出特性输出特性输出特性输出特性 v 差动式原理:差动式原理:差动变隙式由两个相同的线圈和磁路组成。当差动变隙式由两个相同的线圈和磁路组成。当被测量通过导杆使衔铁上下位移时,两个回路中磁被测量通过导杆使衔铁上下位移时,两个回路中磁阻发生大小相等、方向相反的变化,形成差动形式。阻发生大小相等、方向相反的变化,形成差动形式。第第6 6章章 电感式传感器电感式传感器6.16.16.16.1变磁阻式传感器(自感式)变磁阻式传感器(自感式)变磁阻式传感器(自感式)变磁阻式传感器(自感式
8、)6.1.2 6.1.2 6.1.2 6.1.2 输出特性输出特性输出特性输出特性 对上式进行线性处理并忽略高次项:对上式进行线性处理并忽略高次项:v 差动式灵敏度为:差动式灵敏度为:电感的变化为:电感的变化为:第第6 6章章 电感式传感器电感式传感器6.16.16.16.1变磁阻式传感器(自感式)变磁阻式传感器(自感式)变磁阻式传感器(自感式)变磁阻式传感器(自感式)6.1.2 6.1.2 6.1.2 6.1.2 输出特性输出特性输出特性输出特性 讨论:讨论:u 比较单线圈,差动式的灵敏度提高了一倍;比较单线圈,差动式的灵敏度提高了一倍;u 差动式非线性项比单线圈多乘了差动式非线性项比单线圈
9、多乘了(/)因子;因子;u 不存在偶次项,因不存在偶次项,因 /1,线性度得到改善。,线性度得到改善。u 差动式的两个电感结构,可抵消温度、噪声干扰差动式的两个电感结构,可抵消温度、噪声干扰 的影响。的影响。第第6 6章章 电感式传感器电感式传感器6.16.16.16.1变磁阻式传感器(自感式)变磁阻式传感器(自感式)变磁阻式传感器(自感式)变磁阻式传感器(自感式)6.1.3 6.1.3 6.1.3 6.1.3 测量电路测量电路测量电路测量电路(1 1 1 1)变压器式交流电桥)变压器式交流电桥)变压器式交流电桥)变压器式交流电桥 电桥的两臂是传感器线圈电桥的两臂是传感器线圈阻抗臂、另外两个臂
10、是交流阻抗臂、另外两个臂是交流变压器次级线圈各占变压器次级线圈各占1212,交流供电。交流供电。桥路输出电压为:桥路输出电压为:第第6 6章章 电感式传感器电感式传感器6.16.16.16.1变磁阻式传感器(自感式)变磁阻式传感器(自感式)变磁阻式传感器(自感式)变磁阻式传感器(自感式)6.1.3 6.1.3 6.1.3 6.1.3 测量电路测量电路测量电路测量电路u衔铁上下移动相同距离时,输出电压大小相等方衔铁上下移动相同距离时,输出电压大小相等方向相差向相差180,要判断衔铁方向就是判断信号相位。,要判断衔铁方向就是判断信号相位。第第6 6章章 电感式传感器电感式传感器 当衔铁在中间位置当
11、衔铁在中间位置 Z1=Z2=Z U0=0 当衔铁偏移时输出电压当衔铁偏移时输出电压当衔铁偏向另一方向当衔铁偏向另一方向6.16.16.16.1变磁阻式传感器(自感式)变磁阻式传感器(自感式)变磁阻式传感器(自感式)变磁阻式传感器(自感式)6.1.3 6.1.3 6.1.3 6.1.3 测量电路(转换电路)测量电路(转换电路)测量电路(转换电路)测量电路(转换电路)(2 2 2 2)交流电桥式)交流电桥式)交流电桥式)交流电桥式两个桥臂由相同线圈组成,另外两个为平衡电阻两个桥臂由相同线圈组成,另外两个为平衡电阻第第6 6章章 电感式传感器电感式传感器 交流电桥结构示意图交流电桥结构示意图交流电桥
12、结构示意图交流电桥结构示意图 等效电路等效电路6.16.16.16.1变磁阻式传感器(自感式)变磁阻式传感器(自感式)变磁阻式传感器(自感式)变磁阻式传感器(自感式)6.1.3 6.1.3 6.1.3 6.1.3 测量电路(转换电路)测量电路(转换电路)测量电路(转换电路)测量电路(转换电路)第第6 6章章 电感式传感器电感式传感器因因输出电压为:输出电压为:可见电桥输出电压可见电桥输出电压U UACAC与气隙变量与气隙变量有关有关 代入代入电桥输出为:电桥输出为:6.16.16.16.1变磁阻式传感器(自感式)变磁阻式传感器(自感式)变磁阻式传感器(自感式)变磁阻式传感器(自感式)6.1.3
13、 6.1.3 6.1.3 6.1.3 测量电路测量电路测量电路测量电路(3 3 3 3)谐振式(调幅、调频、调相)谐振式(调幅、调频、调相)谐振式(调幅、调频、调相)谐振式(调幅、调频、调相)调幅式电路调幅式电路调幅式电路调幅式电路输出幅值随电感输出幅值随电感输出幅值随电感输出幅值随电感L L L L变化变化变化变化 调频电路调频电路调频电路调频电路电感电感电感电感L L L L变化时谐振频率变化变化时谐振频率变化变化时谐振频率变化变化时谐振频率变化第第6 6章章 电感式传感器电感式传感器6.1 6.1 6.1 6.1 变磁阻式传感器(自感式)变磁阻式传感器(自感式)变磁阻式传感器(自感式)变
14、磁阻式传感器(自感式)6.1.4 6.1.4 6.1.4 6.1.4 变磁阻式传感器的应用变磁阻式传感器的应用变磁阻式传感器的应用变磁阻式传感器的应用压力测量压力测量压力测量压力测量 第第6 6章章 电感式传感器电感式传感器被测压力经位移被测压力经位移电压两次转换输出电压两次转换输出6.2 6.2 6.2 6.2 差动变压器式传感器(互感式)差动变压器式传感器(互感式)差动变压器式传感器(互感式)差动变压器式传感器(互感式)6.2.1 6.2.1 6.2.1 6.2.1 工作原理工作原理工作原理工作原理 v 把被测的非电量变化转换成为把被测的非电量变化转换成为线圈互感量的变化的传感器称为互感式
15、线圈互感量的变化的传感器称为互感式传感器。传感器。根据变压器的基本原理制成,并将次根据变压器的基本原理制成,并将次级线圈绕组用差动形式连接。级线圈绕组用差动形式连接。差动变压器的结构形式较多,应用最差动变压器的结构形式较多,应用最多的是螺线管式差动变压器。它可测量多的是螺线管式差动变压器。它可测量1 1100mm100mm范围内的机械位移。范围内的机械位移。第第6 6章章 电感式传感器电感式传感器次次级级次次级级骨架骨架初初级级衔衔铁铁次次级级次次级级初初级级6.2 6.2 6.2 6.2 差动变压器式传感器(互感式)差动变压器式传感器(互感式)差动变压器式传感器(互感式)差动变压器式传感器(
16、互感式)等效电路:等效电路:两个次级线圈必须反相串联接,保证差动形式。两个次级线圈必须反相串联接,保证差动形式。如果线圈完全对称并且衔铁处于中间位置时两线圈如果线圈完全对称并且衔铁处于中间位置时两线圈 互感系数相等互感系数相等 电动势相等电动势相等第第6 6章章 电感式传感器电感式传感器差动输出电压为零:差动输出电压为零:初级线圈初级线圈次级线圈次级线圈6.2 6.2 6.2 6.2 差动变压器式传感器(互感式)差动变压器式传感器(互感式)差动变压器式传感器(互感式)差动变压器式传感器(互感式)6.2.1 6.2.1 6.2.1 6.2.1 工作原理工作原理工作原理工作原理 u 可见可见:输出
17、电压大小和符号反映了输出电压大小和符号反映了 铁心位移的大小和方向。铁心位移的大小和方向。第第6 6章章 电感式传感器电感式传感器当衔铁上下移动时,输出电压随衔铁位移变化。当衔铁上下移动时,输出电压随衔铁位移变化。若衔铁上移若衔铁上移 若衔铁下移若衔铁下移 6.2 6.2 6.2 6.2 差动变压器式传感器(互感式)差动变压器式传感器(互感式)差动变压器式传感器(互感式)差动变压器式传感器(互感式)6.2.2 6.2.2 6.2.2 6.2.2 基本特性基本特性基本特性基本特性 由此得到输出电压有效值为由此得到输出电压有效值为 :v 可见输出电压与互感的差值有关可见输出电压与互感的差值有关第第
18、6 6章章 电感式传感器电感式传感器根据电磁感应定律,次级感应电动势分别为根据电磁感应定律,次级感应电动势分别为6.2 6.2 6.2 6.2 差动变压器式传感器(互感式)差动变压器式传感器(互感式)差动变压器式传感器(互感式)差动变压器式传感器(互感式)6.2.2 6.2.2 6.2.2 6.2.2 基本特性基本特性基本特性基本特性铁芯向右移,铁芯向右移,输出与输出与E2a同极性;同极性;铁芯向左移,铁芯向左移,输出与输出与E2b同极性。同极性。u输输出出电电压压的的幅幅值值取取决决于于线线圈圈互互感感即即衔衔铁铁在在线线圈圈中中移移动动的的距距离离X。Uo与与Ui的的相相位位由由衔衔铁铁的
19、的移移动动方向决定。方向决定。第第6 6章章 电感式传感器电感式传感器6.2 6.2 6.2 6.2 差动变压器式传感器(互感式)差动变压器式传感器(互感式)差动变压器式传感器(互感式)差动变压器式传感器(互感式)第第6 6章章 电感式传感器电感式传感器差动变压器输出电压和位移的关系差动变压器输出电压和位移的关系6.2 6.2 6.2 6.2 差动变压器式传感器(互感式)差动变压器式传感器(互感式)差动变压器式传感器(互感式)差动变压器式传感器(互感式)6.2.3 6.2.3 6.2.3 6.2.3 零点残余电压零点残余电压零点残余电压零点残余电压 v 由由于于两两个个次次级级线线圈圈绕绕组组
20、电电气气系系数数 (M M互互感感 L L电电感感 R R内内阻阻)不不同同,几几何何尺尺寸寸工工艺艺上上很很难难保保证证完完全全相相同同。实实际际的的特特性性曲曲线线,在在零零点点上上总总有有一一个个最最小小的的输输出出电电压压,这这个个铁铁芯芯处处于于中中间间位位置置时时最最小小不不为为零零的的电电压压称称为为零零点点残余电压残余电压。第第6 6章章 电感式传感器电感式传感器6.2 6.2 6.2 6.2 差动变压器式传感器(互感式)差动变压器式传感器(互感式)差动变压器式传感器(互感式)差动变压器式传感器(互感式)6.2.3 6.2.3 6.2.3 6.2.3 零点残余电压零点残余电压零
21、点残余电压零点残余电压 为为减减小小零零点点残残余余电电压压的的影影响响,一一般般要要用用电电路路进进行行补补偿偿,电电路路补补偿的方法较多偿的方法较多,可采用以下方法。可采用以下方法。串联电阻:消除两次级绕组基波分量幅值上的差异;串联电阻:消除两次级绕组基波分量幅值上的差异;并联电阻电容:消除基波分量相差,减小谐波分量;并联电阻电容:消除基波分量相差,减小谐波分量;加反馈支路:初次级间反馈,减小谐波分量;加反馈支路:初次级间反馈,减小谐波分量;相敏检波对零点残余误差有很好的抑制作用。相敏检波对零点残余误差有很好的抑制作用。串串联联电电阻阻并并联联电电阻阻第第6 6章章 电感式传感器电感式传感
22、器6.2 6.2 6.2 6.2 差动变压器式传感器(互感式)差动变压器式传感器(互感式)差动变压器式传感器(互感式)差动变压器式传感器(互感式)6.2.46.2.46.2.46.2.4 测量电路测量电路测量电路测量电路 第第6 6章章 电感式传感器电感式传感器一般采用一般采用反串电路反串电路和和桥路桥路两种。两种。反串电路是直接把两个二次线圈反向串接(如图反串电路是直接把两个二次线圈反向串接(如图3.21)。这种)。这种情况下空载输出电压等于二次侧线圈感应电动势之差,即:情况下空载输出电压等于二次侧线圈感应电动势之差,即:图图3.21二次线圈反串电路二次线圈反串电路6.2 6.2 6.2 6
23、.2 差动变压器式传感器(互感式)差动变压器式传感器(互感式)差动变压器式传感器(互感式)差动变压器式传感器(互感式)6.2.46.2.46.2.46.2.4 测量电路测量电路测量电路测量电路 第第6 6章章 电感式传感器电感式传感器桥路如图桥路如图3.22所示:其中所示:其中R1,R2是桥臂电阻,是桥臂电阻,Rw是供调零用的电是供调零用的电位器。设位器。设R1R2,则输出电压:,则输出电压:图图3.22差动变压器使用的桥路差动变压器使用的桥路可见桥路的灵敏度为前面的可见桥路的灵敏度为前面的0.5,但其优点是利用,但其优点是利用Rw可进行调零,可进行调零,不再需要另外配置调零电路。不再需要另外
24、配置调零电路。(3-37)6.2 6.2 6.2 6.2 差动变压器式传感器(互感式)差动变压器式传感器(互感式)差动变压器式传感器(互感式)差动变压器式传感器(互感式)6.2.5 6.2.5 6.2.5 6.2.5 应用举例应用举例应用举例应用举例 差差动动变变压压器器式式传传感感器器可可直直接接用用于于位位移移测测量量,也也可可以以用用来来测测量量与与位位移移有有关关的的任任何何机机械械量量,如如振振动动,加加速速度度,应变等等。应变等等。第第6 6章章 电感式传感器电感式传感器(1)压差计)压差计当压差变化时,腔内当压差变化时,腔内膜片位移使差动变压器次膜片位移使差动变压器次级电压发生变
25、化,输出与级电压发生变化,输出与位移成正比,与压差成正位移成正比,与压差成正比。比。6.2 6.2 6.2 6.2 差动变压器式传感器(互感式)差动变压器式传感器(互感式)差动变压器式传感器(互感式)差动变压器式传感器(互感式)6.2.5 6.2.5 6.2.5 6.2.5 应用举例应用举例应用举例应用举例第第6 6章章 电感式传感器电感式传感器(2 2 2 2)液位测量)液位测量)液位测量)液位测量 沉筒式液位计将水位变沉筒式液位计将水位变化转换成位移变化,再转换化转换成位移变化,再转换为电感的变化,差动变压器为电感的变化,差动变压器的输出反映液位高低。的输出反映液位高低。6.2 6.2 6
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